某臨河砂卵石地層基坑支護設(shè)計研究

鐘俊輝，李 姝，宋書志，王麗君

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 611731；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611231)

0 前 言

于麗等人[1]調(diào)研53個位于成都的砂卵石地層條件的地鐵明挖法車站基坑，對不同深度基坑的圍護結(jié)構(gòu)形式進行統(tǒng)計和分析，“基坑深度為6～11 m時多采用土釘墻，深度為11～16 m時多采用錨樁支護，當深度大于16 m時，多采用樁+內(nèi)支撐的形式”[1]。成都平原地區(qū)主要以砂卵石地層為主，基坑支護型式多樣，對于臨河鄰建筑的基坑，地下水補充來源豐富，滲流系數(shù)大，圍護結(jié)構(gòu)受變形、降排水、周邊環(huán)境等限制，對于基坑支護和止水提出更高要求。咬合樁作為一種同時兼具的圍護結(jié)構(gòu)，對于砂卵石地層具有很好的經(jīng)濟性。

1999年的深圳地鐵會展中心站—購物公園站區(qū)間的圍護結(jié)構(gòu)體系是在我國第一個采用咬合樁的工程實例[2]，此后該工法在廣州、南京、杭州、上海等地的地鐵工程中得到進一步推廣應(yīng)用，且都取得了成功[3-4]。

1 工程概況

1.1 工程背景

本項目為停車場地下一層，框架結(jié)構(gòu)尺寸為137.0 m×40.5 m(長×寬)，擬采用獨立基礎(chǔ)，基坑埋置深度約6.1 m，擬建場地地形較平坦開闊，擬建場地現(xiàn)狀為廣場，周邊為商業(yè)建筑，距離較近；地面高程介于426.40～426.70 m，相對高差0.3 m。地貌單元屬于岷江水系三級階地。

基坑支護設(shè)計的重難點：

(1)地下水處理。臨近岷江，地層主要為卵石，滲透性大，且與岷江水力聯(lián)通。岷江通航后地下水位高，地下水位離地僅0.5 m，因此地下水處理措施至關(guān)重要。

(2)圍護結(jié)構(gòu)選取和降水措施。工程周邊建筑物密集，基坑距其最近只有2.6 m，基坑圍護結(jié)構(gòu)變形要求高，且坑外降水容易引起周邊建筑物的沉降。

因此，基坑圍護結(jié)構(gòu)選型和地下水位處理，成了本項目的關(guān)鍵點。

1.2 地質(zhì)水文條件

擬建場地地層從上到下主要分布為：素填土①、粉砂②1、細砂②2、卵石③和粉砂質(zhì)泥巖④。土層具體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

場地內(nèi)地下水的類型主要存在三種類型的地下水，分別為：賦存于第四系素填土層中的上層滯水；賦存于第四系粉砂、細砂和砂卵石層中的孔隙潛水；基巖裂隙水主要賦存于巖體風(fēng)化裂隙及節(jié)理裂隙中。

地下水主要賦存于砂卵石中，粉砂為中等透水層，細砂和砂卵石層為強透水層，岷江水系滲透進入下伏砂卵石層內(nèi)，地下水主要受岷江水系水位的影響較大，場地地下水位最高水位建議值為426.00 m。

2 地下水處理方案

本項目基坑支護設(shè)計的選取必須考慮地下水處理和周邊環(huán)境的要求。

2.1 地下水處理方案

地下水處理方案目前主要有以下三種。

(1)方案1：坑外降水?；泳嘀苓吔ㄖ芙?，最近僅2.6 m，對地表沉降控制嚴格，另外基坑與岷江水力聯(lián)通，地下水來源豐富，故方案1實施可行性小，風(fēng)險性大，不作推薦。

(2)方案2：基坑圍護結(jié)構(gòu)外設(shè)置止水帷幕(如攪拌樁、旋噴樁、注漿止水帷幕)，坑內(nèi)實施降水。

(3)方案3：基坑圍護結(jié)構(gòu)自身可兼作止水帷幕，坑內(nèi)實施降水。

基坑開挖和支護范圍主要為砂卵石地層，粒徑大、厚度深(約10 m)，地下水豐富且滲流流速快，采用攪拌樁、旋噴樁、注漿等止水帷幕時，施工效果不好控制，需要現(xiàn)場試驗確定，且容易引起周邊建筑變形?？浊锲絒5]在某臨河高水位卵石層基坑的旋噴樁成樁試驗效果不好，開挖后多處漏水。另外，本項目施工場地狹窄，止水帷幕施工空間受限。

綜上考慮，本項目采用自帶止水效果的圍護結(jié)構(gòu)，進行坑內(nèi)降水，從安全性和施工可行性看，均為最優(yōu)方案。

2.2 基坑降水設(shè)計

基坑尺寸約為138.6 m×37.8 m(長×寬)，地下水位埋深1.5～3.0 m，含水層為粉、細砂和卵石層，含水層厚度不小于10 m，屬強透水層。該場地地下水滲透系數(shù)K取30～40 m/d。依據(jù)場地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，并結(jié)合場地基礎(chǔ)開挖實際情況，進行降水井設(shè)計，計算過程如下。

(1)基坑涌水量采用塊狀基坑出水量Q公式計算：

(2)單井出水量q按下述管井經(jīng)驗公式計算：

式中，rs為過濾器半徑，取0.15 m；l為過濾器進水部分長度，取4.00 m。

(3)降水井數(shù)量n的計算公式：

降水井布置原則：①沿基坑長邊方向，等間距布置；②每口降水井的降水影響范圍要相交，所有降水井的影響范圍要涵蓋整個基坑。降水井布置詳見圖1。

圖1 基坑支護平面示意

3 基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3.1 圍護結(jié)構(gòu)選型

考慮自帶止水帷幕功能的圍護結(jié)構(gòu)，目前常用的有：地連墻、SMW工法樁、鋼板樁和鉆孔咬合樁。下面分別對其特點和適用性進行分析。

3.1.1 地連墻

地連墻圍護結(jié)構(gòu)不僅剛度大，而且適用于多種土質(zhì)情況(淤泥、卵石等)，具有防滲、擋土、截水等功能，在建筑物密集地區(qū)特別適用。地連墻作圍護結(jié)構(gòu)，既能有效地減少開挖對鄰近建筑物、地下管線的影響，又能作為止水帷幕保護基坑施工安全。

地連墻作為一種強支護的擋土擋水結(jié)構(gòu)，也有著自身的一些劣勢，如：施工工藝復(fù)雜、造價高等，在北京、成都等砂卵石地層區(qū)域應(yīng)用相對較少，一般用作土質(zhì)差、深度大的基坑。

而基坑深僅6.1 m，地層主要為砂卵石和風(fēng)化泥巖，自身穩(wěn)定性很好。在成都砂卵石地層基坑應(yīng)用地連墻案例很少，于麗等人[1]對成都53個砂卵石地層深基坑支護案例進行統(tǒng)計分析，僅一個深度超過21 m的基坑采用地連墻支護。

3.1.2 SMW工法樁

其以多軸型鉆掘攪拌機向地下鉆掘，并在鉆頭端噴出水泥等強化劑，而與土層反復(fù)攪拌混合，各單元間重疊搭接，在水泥土硬結(jié)前插入鋼板或H型鋼等作為應(yīng)力增強材料，待水泥土硬結(jié)，形成了一道具有一定剛度、強度、完整、無接縫的地下連續(xù)墻體。

但SMW樁以攪拌形式施工，只適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫土等土質(zhì)較軟地層，故大多應(yīng)用在我國東南沿海地區(qū)的軟土基坑圍護[6]，而在砂卵石地區(qū)，存在鋼板插入的施工困難，應(yīng)用很少。

3.1.3 鋼板樁

砂卵石內(nèi)鋼板樁打入困難，且施工振動對周圍建筑有影響，支護剛度不高，基坑變形大[7]，不適用于本場地。

3.1.4 咬合樁

咬合樁是相鄰排樁部分圓形相疊，并在后序次相間施工的排樁內(nèi)加入鋼筋籠，使之形成一面整體連續(xù)防水和擋土的圍護結(jié)構(gòu)。

咬合樁的圍護樁互相交疊，是一種介于常規(guī)排樁與地連墻的支護形式，有其獨特的優(yōu)點和適用性，兼具止水和擋土功能，在無法同時設(shè)置排樁和止水帷幕的狹窄場地區(qū)域，優(yōu)勢明顯。

咬合樁為落底式止水帷幕，進入隔水層(中風(fēng)化巖)不少于1.5 m，樁長為11.6～14.1 m。

深基坑開挖支撐主要有兩種形式：錨索和內(nèi)支撐。錨索支護體系基坑可給開挖提供開敞的施工作業(yè)環(huán)境，但本項目處于地下水豐富的砂卵石地層，錨索施工和受力可靠性相對較差，導(dǎo)致基坑變形不易控制，另外錨索施工易對周圍管線和建筑物產(chǎn)生一定的影響。

綜上所述，經(jīng)過以上的分析比較，基坑支護方案定為咬合樁+內(nèi)支撐。通過工程類比和計算，圍護結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置一道Φ609鋼管支撐。

3.2 基坑支護計算

本站基坑安全等級為一級，咬合樁尺寸為Φ1 200@900 mm(咬合300 mm，如圖2所示)，嵌固深度約5～6 m。樁間采用150 mm厚網(wǎng)噴混凝土，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ8@200 mm×200 mm；樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，基坑沿豎向設(shè)置一道鋼支撐，采用Φ609 mm、t=16的鋼支撐，支撐水平間距約6.0 m，鋼支撐設(shè)置在冠梁上?；觾?nèi)設(shè)置臨時鋼立柱，采用格構(gòu)柱，基礎(chǔ)為Φ1 200 mm鉆孔樁基坑支護剖面和基坑支護變形如圖3～4所示。

圖2 咬合樁平面示意

圖3 基坑支護典型剖面示意(單位：m)

3.2.1 理正計算

選取基坑深度最大的斷面，采用理正基坑7.0 PB5軟件進行計算，基坑深6.1 m，坑外超載取20 kPa。具體計算如下：

基坑外地面最大沉降為4.2 mm，小于等于0.10H%(6.1 mm)。圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為2.37 mm，小于等于0.20H%(12.2 mm)，且不大于30 mm，滿足規(guī)范要求。

圖4 基坑支護變形示意

3.2.2 有限元計算

采用Midas GTS對基坑進行數(shù)值模擬，模型尺寸為80 m×40 m(長×高)，基坑兩側(cè)超載為20 kPa，基坑支護和地層參數(shù)與3.2.1保持一致，模型見圖5。

圖5 基坑有限元計算示意

模型計算結(jié)果：基坑外地面最大沉降為4.5 mm，不大于0.10H%(6.1 mm)。圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為3.25 mm不大于0.20H%(12.2 mm)，且不大于30 mm，滿足規(guī)范要求。

3.3 咬合樁施工

咬合樁的施工布置見圖6，采用B樁(素混凝土樁)與A樁(鋼筋混凝土樁)交疊布置，以咬合的形式構(gòu)成連續(xù)墻體結(jié)構(gòu)。施工工序采用全套管鉆孔機械，沿著基坑開挖的軸線，以套管護壁。先施工B序樁的單樁成孔，灌注超緩混凝土成樁，在B序樁緩凝期間，在相鄰的兩B序樁間下壓鋼套管，切割樁身混凝土成孔，并施工A序樁，完成樁體咬合工作。如此逐樁咬合依次進行，筑成了一道連續(xù)的鋼筋混凝土排樁墻體，可作為防滲、截水、承重、擋土結(jié)構(gòu)[8]。

圖6 咬合樁施工布置示意

施工時，需注意以下事項：

(1)宜采用軟切割的全套管鉆機施工；

(2)砂卵石地層中的全套管咬合樁施工，應(yīng)根據(jù)管涌的不同情況，采取相應(yīng)的克服管涌的措施，并隨時觀察孔內(nèi)水位和穿越地層的情況，依據(jù)少取土多壓進的原則施工，確保管超前；

(3)套管底應(yīng)始終保持超前于開挖面不少于2.5 m；當遇套管底無法做到超前時，可向套管內(nèi)注入水來平衡樁混凝土的壓力，防止管涌發(fā)生。

4 車庫抗浮設(shè)計

地下車庫結(jié)構(gòu)頂部覆土1.5 m，基坑深度按6.1 m，車庫結(jié)構(gòu)橫斷面寬34.1 m，高4.6 m，底板、頂板、側(cè)墻厚度分別為0.4 m、0.3 m、0.3 m。

選取基坑縱向每延米寬斷面作為抗浮計算的標準斷面(寬)，抗浮水位位于地面下0.5 m。

4.1 不考慮抗浮措施抗浮安全系數(shù)

車庫結(jié)構(gòu)斷面自重:

G1=25×(34.1×0.3+34.1×0.4+3.9×0.3×2)=655.250 kN/m；

覆土自重G2:

G2=20×0.5×34.1+(20-10)×1.0×34.1=682.00 kN/m；

結(jié)構(gòu)所受浮力：

Ff=10×34.1×4.6×1.0=1 568.60 kN/m；

4.2 考慮抗浮措施抗浮安全系數(shù)

在圍護結(jié)構(gòu)上設(shè)置壓頂梁，圍護樁兼做抗浮樁，參與抗浮，壓頂梁截面b×h=2.0 m/2.4 m×1.0 m，見圖7。

圖7 圍護樁和壓頂梁示意

圍護樁兼作抗浮樁的工作原理：主體結(jié)構(gòu)將剩余浮力傳遞給樁頂壓頂梁，壓頂梁與圍護樁通過鋼筋連整體，圍護樁側(cè)壁摩阻力(抗拔力)可抵消結(jié)構(gòu)剩余上浮力。華昆等人[9]認為圍護樁兼做抗浮時，計算基樁抗浮承載力，應(yīng)按群樁呈整體破壞的模式計算，即按排樁墻式計算側(cè)表面的摩阻力(見圖8)， 而非按πdL計算側(cè)表面積(d為支護樁直徑，L為底板下的支護樁長度。

單樁抗拔承載力為：

Ra=Ul∑λiqsiali+Gp

式中，Ul為樁身抗拔周長，取Ul=0.5πd=1.88 m，如圖8所示；λi為抗拔系數(shù)，按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中表5.4.6-2取值；qsia為樁側(cè)面第i層土的抗壓側(cè)阻力特征值；li為地下結(jié)構(gòu)底板以下樁側(cè)面第i層土厚度；Gp為單樁自重，地下水位以下取浮重度。

圖8 圍護樁抗拔剪切面示意

圍護樁抗拔力分為兩部分：(1)基坑深度內(nèi)僅有外側(cè)迎土側(cè)圍護樁與土接觸，這部分抗拔力可作為安全儲備；(2)嵌固段兩側(cè)的抗拔摩阻力；單根圍護樁抗拔力具體計算數(shù)據(jù)如下表2所示。

表2 單樁抗拔力(不含自重)計算數(shù)據(jù)

單樁自重Gp=(25-10)×12.6×(3.14×0.36)=213.6 kN/m；

6 結(jié) 論

(1)成都砂卵石地層，臨河基坑，可采用咬合樁作為圍護結(jié)構(gòu)，結(jié)合坑內(nèi)降水，可很好地控制地下水和周邊環(huán)境位移和沉降。

(2)鉆孔咬合樁與普通鉆孔灌注樁相比，具有施工噪音低、無泥漿污染、造價低、止水效果好等優(yōu)點。與地連墻相比，具有無泥漿污染、造價低等優(yōu)點。但鉆孔咬合樁對施工精度、工藝和混凝土配比均有嚴格要求，否則樁體無法形成充分咬合。

(3)在抗浮無法滿足規(guī)范要求的情況下，冠梁作為壓頂梁，可利用圍護樁兼作為抗浮樁，能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟價值。